【摘要】：對(duì)于未來(lái)的聚變托卡馬克裝置而言,如何排出芯部等離子體聚變產(chǎn)生的大量能量是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)的聚變功率設(shè)計(jì)目標(biāo)將達(dá)到1 GW,向CFETR的邊界等離子體中注入氣體雜質(zhì),使其偏濾器運(yùn)行在輻射偏濾器的工作狀態(tài),從而利用雜質(zhì)輻射排出進(jìn)入刮削層中的等離子體能流,將會(huì)是一種必須采取的技術(shù)手段。而在注入雜質(zhì)后,如何兼顧偏濾器靶板的低熱負(fù)載與芯部等離子的低雜質(zhì)濃度是關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文基于二維邊界等離子體模擬程序SOLPS系統(tǒng)地開(kāi)展了 CFETR輻射偏濾器的數(shù)值模擬,研究了高輻射份額條件下雜質(zhì)注入的種類、位置以及不同的偏濾器位形對(duì)于偏濾器雜質(zhì)屏蔽性能的影響。具體包括以下幾方面內(nèi)容。研究工作首先針對(duì)常規(guī)下單零偏濾器位形開(kāi)展,在氬雜質(zhì)注入時(shí),模擬了不同等離子體密度條件下的輻射偏濾器。結(jié)果表明,在總輻射功率Prad～170 MW時(shí),在高密度和低密度條件下,內(nèi)外偏濾器等離子體均可以實(shí)現(xiàn)完全脫靶,從而大幅度降低偏濾器靶板的熱負(fù)載。Matthews實(shí)驗(yàn)定標(biāo)能夠較好的擬合模擬數(shù)據(jù),得到氬雜質(zhì)注入下有效電荷數(shù)Zeff與電子密度ne及總輻射功率Prad的關(guān)系,為進(jìn)一步的芯部參數(shù)優(yōu)化提供合理的邊界條件。除了氬以外,氮、氖也是目前實(shí)驗(yàn)中常用的輻射雜質(zhì),因此本文進(jìn)一步研究了三種不同氣體雜質(zhì)注入邊界等離子體后,雜質(zhì)輸運(yùn)及輻射的差別。模擬結(jié)果表明,在Prad～170 MW,偏濾器等離子體脫靶時(shí),相同的電子密度下,氮雜質(zhì)注入會(huì)造成最小的芯部燃料稀釋。然而,氮與鎢的化學(xué)反應(yīng)會(huì)增加鎢壁中的氚滯留,而氮與氚形成的類氨化合物也會(huì)增加氚工廠的負(fù)擔(dān)。在其余的兩種惰性氣體雜質(zhì)中,盡管氬的原子序數(shù)更高,氬雜質(zhì)注入?yún)s伴隨著更低的上游Zeff,這是由于氬原子有著比氖原子更低的電離能,因此更容易在靠近靶板附近的位置電離,進(jìn)而導(dǎo)致更強(qiáng)的非日冕平衡效應(yīng)(non-coronal)。因此,本文進(jìn)一步對(duì)Matthews定標(biāo)提出了一個(gè)試探性的修正:Zeff=1+C(Z-1)αPad/ne2-β/(EionD/Eionmp)γ,其中用電離能衡量雜質(zhì)輻射中非日冕平衡效應(yīng)的貢獻(xiàn),模擬結(jié)果與修正后的定標(biāo)有相當(dāng)好的吻合。本文進(jìn)一步模擬比較了四種不同的充氣方案對(duì)雜質(zhì)屏蔽性能的影響,具體包括:從上游充入氘氬混合氣體;從外偏濾器充入氘氬混合氣體;從內(nèi)偏濾器充入氘氬混合氣體;從上游充入氘氣的同時(shí)從外偏濾器充入氬氣。模擬結(jié)果表明,從上游注入氘氣時(shí),可以大大增強(qiáng)刮削層內(nèi)的背景等離子體流,從而得到更好的氬雜質(zhì)屏蔽效果與更低的上游Zeff。而與注入氘氣的位置相比,在相同總輻射功率的情況下,注入氬氣的位置對(duì)于邊界等離子的影響要小得多——此時(shí)偏濾器靶板再循環(huán)是邊界等離子體中最主要的雜質(zhì)源。本文最后模擬研究了CFETR裝置中氬雜質(zhì)注入下準(zhǔn)雪花偏濾器位形中的輻射偏濾器,并將模擬結(jié)果與常規(guī)的下單零偏濾器位形的結(jié)果進(jìn)行了比較。在高密度的情況下,準(zhǔn)雪花偏濾器能在更低的總輻射功率下實(shí)現(xiàn)內(nèi)外偏濾器等離子體的完全脫靶,并且由于其內(nèi)外偏濾器處等離子體的脫靶程度都更高,表現(xiàn)出了更好的雜質(zhì)屏蔽效果。而在低密度的情況下,由于我們所使用的準(zhǔn)雪花偏濾器位形中外偏濾器磁通展寬增加的幅度遠(yuǎn)高于內(nèi)偏濾器,隨著總輻射功率的增加,不同于下單零位形下內(nèi)偏濾器先脫靶,準(zhǔn)雪花偏濾器位形下外偏濾器處的等離子體率先脫靶,并且其中的雜質(zhì)輻射表現(xiàn)出的更強(qiáng)的內(nèi)外不對(duì)稱性。模擬結(jié)果表明,準(zhǔn)雪花偏濾器增加的磁通展寬與連接長(zhǎng)度不僅有助于偏濾器等離子體的脫靶,也可以提高等離子體脫靶的程度,因而可以通過(guò)抑制雜質(zhì)的反流而增強(qiáng)偏濾器處的雜質(zhì)屏蔽。
【圖文】：

邐（１．１）逡逑其中ｎ表示中子，而４Ｈｅ即最常見(jiàn)的氦，也就是常說(shuō)的ａ粒子。這一反應(yīng)能夠產(chǎn)逡逑生１７．６邋ＭｅＶ的能量。圖１．１給出了氘l#聚變與其他兩種常見(jiàn)的聚變反應(yīng)截面的逡逑比較。逡逑１0－２１邐．．．．．干？：二｜邐■：．■＿■！邋—邐［邐［邋｜邋ｊ邋｜邋｜邐Ｌ邋Ｉ邐Ｌ逡逑邐—邋一邐ＩＪ邋￣邐二二二二—ｕ－邐一一邋￣邋＂＂邐￣＂邋■邐二二：逡逑ｚｚｍｉ邋ｚｍｍｉ邋ｚｎ邋二二二：：邐—￣￣￣逡逑，ｕ邐ｚ逡逑７邐逡逑邐邐＿＿邋＂Ｘ邋邐：：：逡逑１０－２２邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝邋１＾＝＝＾邋＝邋＝邋＝邋＾＾逡逑１0￣２３邋＝邋＝邋＝邋＝邋＝＾＾＝＝＝＝＾＾＝＝＝＝＝－－逡逑＝＝＝＝ｌ＝ＥＥ＝Ｅ＝ｐ＾ＥＥ＝ＥＥ邋＝逡逑／邐Ｄ－Ｄ／邋／逡逑ｉｃｔ２４邋＾三三三三三三ｇ邐＾三ｅｅｅ三三三逡逑ｌｐｌｌｐ＾ｐｉｌｌ�。剑剑剑藉义希�0－５：邋ｔ逡逑ｋｔ２６�。澹慑澹戾澹卞澹剩粒斟澹蛇娺婂澹保保保保保卞义希卞澹保板澹保埃板义希颍ǎ耄澹郑╁义蠄D１．１氘－氚、氘－氘、氘－氦３三種常見(jiàn)聚變反應(yīng)的反應(yīng)截面１１１逡逑作為氘氚聚變反應(yīng)的兩種主要燃料，氘和氚都是氫的同位素。氫是宇宙中含逡逑量最多的元素

２０１５邐２０２０邐２０２５邐２０３０邐２０３Ｓ邐２０４０邐２０４５邐２０５０邐２０５５邐２０６０逡逑圖１．２中國(guó)磁約束聚變發(fā)展路線圖Ｍｌ逡逑圖１．３是ＣＦＥＴＲ的示意圖。ＣＦＥＴＲ的運(yùn)行預(yù)期分兩個(gè)階段：階段一（Ｐｈａｓｅ逡逑Ｉ）的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)氚自持和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，其聚變功率會(huì)達(dá)到２００ＭＷ；階段二（Ｐｈａｓｅ逡逑ＩＩ）則會(huì)驗(yàn)證ＤＥＭＯ的可行性，實(shí)現(xiàn)超過(guò)１邋ＧＷ的聚變功率。ＣＦＥＴＲ的概念設(shè)計(jì)逡逑已經(jīng)開(kāi)展了超過(guò)四年的時(shí)間【１９，２（）１，其初始的設(shè)計(jì)參數(shù)為大半徑７？邋＝邋５．７ｍ，小半徑逡逑？＝邋１．６邋ｍ，環(huán)向磁場(chǎng)５Ｔ邋＝邋４－５邋Ｔ。然而，對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)而言，第二階段的運(yùn)行逡逑將會(huì)需要非常高的等離子體參數(shù)，并會(huì)給偏濾器與包層的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。逡逑因此，為了在現(xiàn)有的工程技術(shù)條件下同時(shí)滿足Ｐｈａｓｅｌ與Ｐｈａｓｅｌｌ的目標(biāo)，ＣＦＥＴＲ逡逑又完成了多個(gè)版本的概念設(shè)計(jì)，，其中包括大半徑尺＝邋６．６ｍ，小半徑《＝邋１．８邋ｍ，逡逑環(huán)向磁場(chǎng)＝邋６－７邋Ｔ的版本｜２２】
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL631.24

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 金羽中;劉翔;陳蕾;練有運(yùn);王正裕;;多噴嘴氦冷偏濾器的優(yōu)化與分析[J];核聚變與等離子體物理;2017年01期

2 吳繼紅,張斧,嚴(yán)建成;模擬偏濾器材料熱疲勞性能研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2002年07期

3 李芳,徐文斌,石秉仁;開(kāi)放型偏濾器平衡位形的數(shù)值計(jì)算[J];核聚變與等離子體物理;1989年01期

4 胡建生;王亮;孫震;姚達(dá)毛;陳俊凌;桑超峰;丁洪斌;施立群;葉民友;;托卡馬克裝置中長(zhǎng)脈沖高功率運(yùn)行模式下鎢偏濾器基礎(chǔ)物理研究[J];中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué);2018年05期

5 張錦華，高慶弟，李芳著，牟宗澤;托卡馬克放電過(guò)程中偏濾器位形的演化[J];核聚變與等離子體物理;1996年01期

6 吳繼紅,張斧,許增裕,嚴(yán)建成;偏濾器高熱負(fù)荷材料研究[J];核科學(xué)與工程;2003年02期

7 鄧柏權(quán),彭利林,嚴(yán)建成,黃錦華;偏濾器材料濺射過(guò)程的數(shù)值研究(英文)[J];中國(guó)核科技報(bào)告;2003年01期

8 洪文玉;嚴(yán)龍文;程均;趙開(kāi)君;錢俊;王明旭;;HL-2A裝置送氣和加料的脫靶特性[J];核聚變與等離子體物理;2008年04期

9 曲文孝,馮桂云;帶偏濾器的托卡馬克中等離子體穩(wěn)態(tài)徑向輸運(yùn)的數(shù)值解[J];核聚變與等離子體物理;1982年04期

10 常小博;宋云濤;彭學(xué)兵;卯鑫;;聚變堆熔鹽冷卻偏濾器靶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J];核聚變與等離子體物理;2018年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 歐靖;;模擬分析在偏濾器脫靶狀態(tài)下的高馬赫數(shù)流[A];第十四屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2009年

2 歐靖;;數(shù)值分析東方超環(huán)的偏濾器運(yùn)行空間[A];第十五屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議會(huì)議摘要集[C];2011年

3 彭海鷗;陳銀華;時(shí)桂芬;鄭聚高;;Tokamak邊緣區(qū)磁場(chǎng)混沌結(jié)構(gòu)的研究[A];第十五屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議會(huì)議摘要集[C];2011年

4 桑超峰;孫繼忠;戴舒宇;徐倩;王德真;;托卡馬克偏濾器瓦片縫隙等離子體及燃料滯留模擬研究[A];第十六屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第一屆全國(guó)等離子體醫(yī)學(xué)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2013年

5 韓曉玉;余德良;段旭如;;HL-2A多道可見(jiàn)光譜系統(tǒng)測(cè)量的初步結(jié)果[A];第十三屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

6 李敏;周宇璐;張寶玲;侯氫;;氦輻照鎢表面行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[A];第五屆反應(yīng)堆物理與核材料學(xué)術(shù)研討會(huì)、第二屆核能軟件自主化研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2011年

7 崔明煥;王志光;姚存峰;申鐵龍;龐立龍;孫建榮;朱亞濱;盛彥斌;魏孔芳;;氦離子轟擊引起的高純鎢硬化研究[A];第五屆反應(yīng)堆物理與核材料學(xué)術(shù)研討會(huì)、第二屆核能軟件自主化研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2011年

8 吳振偉;;EAST偏濾器等離子體的邊界充氣實(shí)驗(yàn)研究[A];第十四屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2009年

9 張凌;吳振偉;明廷鳳;高偉;楊建華;查文清;;EAST雙零偏濾器位形邊界等離子體光譜輻射行為[A];第十四屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2009年

10 張煒;常加峰;徐國(guó)盛;明廷鳳;王俊;顏寧;;EAST偏濾器探針診斷的實(shí)驗(yàn)研究[A];第十四屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2009年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 本報(bào)記者 白宇;中法共推“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目發(fā)展[N];中國(guó)電力報(bào);2018年

2 記者 張懿;中國(guó)“人造太陽(yáng)”創(chuàng)兩項(xiàng)紀(jì)錄[N];文匯報(bào);2012年

3 蕭林　記者 吳長(zhǎng)鋒;“東方超環(huán)”2010年實(shí)驗(yàn)獲多項(xiàng)重要突破[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

4 記者 汪永安;“東方超環(huán)”物理實(shí)驗(yàn)獲重大突破[N];安徽日?qǐng)?bào);2016年

5 本報(bào)記者 汪永安;合肥向?qū)崿F(xiàn)“中國(guó)聚變夢(mèng)”邁進(jìn)[N];安徽日?qǐng)?bào);2019年

6 記者 汪永安;“東方超環(huán)”多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)獲重要突破[N];安徽日?qǐng)?bào);2010年

7 記者 吳長(zhǎng)鋒;“東方超環(huán)”創(chuàng)造兩項(xiàng)世界紀(jì)錄[N];科技日?qǐng)?bào);2012年

8 本報(bào)記者 鄭煥斌;“人造太陽(yáng)”背后的技術(shù)挑戰(zhàn)[N];科技日?qǐng)?bào);2013年

9 蔡敏楊文婷　;新一代“人造太陽(yáng)”,多次成功放電[N];新華每日電訊;2007年

10 記者 汪永安;“東方超環(huán)”創(chuàng)兩項(xiàng)世界紀(jì)錄[N];安徽日?qǐng)?bào);2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 周一夫;雜質(zhì)注入下的CFETR輻射偏濾器SOLPS模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 張洋;EAST裝置偏濾器靶板的可靠性研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

3 徐厚昌;EAST適合高性能等離子體運(yùn)行的偏濾器工程研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

4 訾鵬飛;EAST下偏濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

5 史博;EAST輔助加熱下偏濾器靶板熱流分布研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

6 張鵬飛;托卡馬克邊界雜質(zhì)輸運(yùn)相關(guān)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

7 胡萬(wàn)鵬;托卡馬克偏濾器靶板侵蝕及一維刮削層物理的粒子模擬研究[D];大連理工大學(xué);2018年

8 李航;托卡馬克中先進(jìn)偏濾器平衡位形計(jì)算[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

9 黃艷;邊界局域模熱負(fù)荷對(duì)鎢偏濾器靶板侵蝕的模擬研究[D];大連理工大學(xué);2016年

10 戴淮初;CFETR偏濾器模塊及其遙操作兼容結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 徐峰;Stark展寬用于計(jì)算EAST偏濾器脫靶等離子體電子密度的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

2 常小博;聚變堆高溫熔鹽冷卻偏濾器靶板概念設(shè)計(jì)與分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

3 張倫;鎢偏濾器靶板粗糙表面在氘離子轟擊下的形貌變化模擬研究[D];大連理工大學(xué);2016年

4 劉秀;CFETR偏濾器靶板概念設(shè)計(jì)與分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

5 吳昊聲;基于SOLPS的CFETR雪花偏濾器的數(shù)值模擬[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

6 鄭志佳;邊界等離子體輸運(yùn)模式的模擬研究[D];大連理工大學(xué);2016年

7 李玉東;碳和氘離子對(duì)偏濾器靶板粗糙表面侵蝕和沉積行為模擬[D];大連理工大學(xué);2017年

8 陳夏華;托卡馬克第一壁鎢瓦塊邊緣效應(yīng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

9 許崇楊;基于可見(jiàn)/紅外相機(jī)診斷系統(tǒng)的托卡馬克等離子體相關(guān)特性研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2017年

10 吳美薇;偏濾器靶板附近等離子體鞘層特性的模擬研究[D];大連理工大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2689313